RU2659837C1

RU2659837C1 - Vortex hydraulic turbine

Info

Publication number: RU2659837C1
Application number: RU2017125856A
Authority: RU
Inventors: Николай Васильевич Ясаков
Original assignee: Николай Васильевич Ясаков
Priority date: 2017-07-18
Filing date: 2017-07-18
Publication date: 2018-07-04

Abstract

FIELD: energy.

SUBSTANCE: invention relates to hydropower and can be used to generate electricity on rivers with a large level difference along the riverbed, as well as on natural or artificial water bodies located above the surrounding areas. Vortex hydraulic turbine comprises confuser 6, body 1 and cone-shaped rotor 2 with grooved blades 5. Lateral wall of body 1 in the horizontal section looks like an incomplete turn of the Archimedes spiral. Lower annular flange of rotor 2 is located in the opening of the bottom of body 1. Input channel 7 is equipped with control gate 9 with a drive controlled by rotational speed control devices 2.

EFFECT: invention is aimed at ensuring minimum energy losses and stable revolutions during sudden load variations, operation over a wide range of parameters of a water flow, and reliability of operation.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к гидроэнергетике и может быть использовано для получения электроэнергии на реках с большим перепадом уровня по руслу, а также на естественных либо искусственных водоемах, расположенных выше прилегающих окрестностей. Основными объектами для установки вихревых гидротурбин являются малые гидроэлектростанции и - в первую очередь - микро-ГЭС.The invention relates to hydropower and can be used to generate electricity on rivers with a large level difference in the channel, as well as on natural or artificial ponds located above the adjacent surroundings. The main objects for the installation of vortex turbines are small hydroelectric power stations and, first of all, micro hydroelectric power stations.

Технико-экономический потенциал малой гидроэнергетики в России превышает потенциал таких возобновляемых источников энергии, как ветер, солнце и биомасса, вместе взятых. (Научный журнал «Национальные приоритеты России» №1(1) 2009). Микро-ГЭС надежные, экологически чистые, компактные, быстро окупаемые источники электроэнергии для деревень, дачных поселков, фермерских хозяйств, а также мельниц, хлебопекарен, небольших производств в отдаленных, горных и труднодоступных районах, где нет линий электропередач. Наиболее перспективными в экономическом плане являются бесплотинные электростанции и, в частности, малые ГЭС с напорной подачей воды. Разработано много способов создания недорогих рукавных, деривационных мини- и микро-ГЭС с напорным водоводом. Однако, главный их компонент - гидроагрегат - даже при всей своей сложности не обеспечивает высокую эффективность преобразования энергии водного потока.The technical and economic potential of small hydropower in Russia exceeds the potential of such renewable energy sources as wind, sun and biomass combined. (Scientific journal "National Priorities of Russia" No. 1 (1) 2009). Micro-hydroelectric power stations are reliable, environmentally friendly, compact, and quickly recouping sources of electricity for villages, summer cottages, farms, as well as mills, bakeries, and small production facilities in remote, mountainous and inaccessible areas where there are no power lines. The most promising in economic terms are damless power plants and, in particular, small hydroelectric power stations with pressurized water supply. Many methods have been developed for the creation of low-cost tubular, derivational mini- and micro-hydroelectric power stations with pressure head conduit. However, their main component - the hydraulic unit - even with all its complexity, does not provide high efficiency of energy conversion of the water stream.

Как известно, к.п.д. гидротурбины зависит от потерь энергии на преодоление сил трения при прохождении водоводов, направляющих аппаратов, обтекании лопастей турбины, при всякой турбулентности потока, где его кинетическая энергия частично преобразуется в теплоту, и, наконец, от потери энергии на удаление потока с его остаточной скоростью. По этим показателям все известные гидротурбины (и радиальные, и осевые, и радиально-осевые, в частности, вертикальная гидротурбина Френсис) далеки от совершенства.As you know, the efficiency hydroturbines depend on energy losses for overcoming friction during passage of water conduits, guiding apparatuses, flow around turbine blades, for any turbulence of the flow, where its kinetic energy is partially converted into heat, and, finally, on energy loss to remove the flow with its residual velocity. According to these indicators, all known hydroturbines (both radial and axial, and radial-axial, in particular, the vertical Francis hydraulic turbine) are far from perfect.

Из всего многообразия турбин сложно подобрать аналоги заявляемой гидромашины. Можно назвать энергетическую установку для преобразования энергии текучей среды в механическую (патент WO 2014031038 А2), а также вихревую гидротурбину по патенту РФ №2424444, МКП F03B 13/00; F03B 3/00 (2006.01). Однако прототипом заявляемого устройства можно считать турбину ветротеплового преобразователя-накопителя (патент РФ №2623637, 2017 г.). Ее корпус и ротор, повернутые на 180° относительно горизонтальной оси, являются базовой конструкцией заявляемой вихревой гидротурбины. В ней только конфузор другого исполнения и отсутствует отходящий раструб. Зато появляется потребность в системе поддержания частоты вращения ротора, если он связан с электрогенератором. Естественно, сама конструкция такой турбины должна быть рассчитана на гидравлические параметры новой рабочей среды.From the whole variety of turbines, it is difficult to choose analogues of the claimed hydraulic machine. You can call the power plant for converting the energy of the fluid into mechanical energy (patent WO 2014031038 A2), as well as a vortex turbine according to the patent of the Russian Federation No. 2424444, MKP F03B 13/00; F03B 3/00 (2006.01). However, the prototype of the claimed device can be considered a turbine of a thermal-thermal converter-drive (RF patent No. 2623637, 2017). Its body and rotor, rotated 180 ° relative to the horizontal axis, are the basic design of the inventive whirlpool turbine. It only has a confuser of another design and there is no outgoing bell. But there is a need for a system for maintaining the rotor speed if it is connected to an electric generator. Naturally, the design of such a turbine should be designed for the hydraulic parameters of a new working environment.

Задачей изобретения и было найти гидротурбину такой конструкции, которая в самом упрощенном виде имела бы минимальные потери энергии и стабильные обороты даже при резких перепадах нагрузки, могла бы работать в широком диапазоне параметров водного потока, позволила бы создать целый типоразмерный ряд (по мощности и частоте вращения), обладала бы пригодностью к использованию и надежностью работы в разных условиях и даже в самой труднодоступной местности.The objective of the invention was to find a hydraulic turbine of such a design, which in the most simplified form would have minimal energy loss and stable speed even with sudden changes in load, could work in a wide range of water flow parameters, would allow to create a whole size range (in terms of power and speed ), would have the suitability for use and reliability in different conditions and even in the most inaccessible terrain.

Решением этой проблемы стала выявленная возможность использования ныне известной конструкции ветроустановки, но уже в другой области возобновляемой энергетики, а именно - в гидравлических электростанциях. В результате заявлена вихревая гидротурбина, имеющая конфузор, корпус и конусообразный ротор с желобчатыми лопастями, у которой - согласно изобретению - стенка корпуса в горизонтальном сечении имеет вид "спирали Архимеда" (около одного витка), нижний кольцеобразный фланец ротора расположен в проеме днища корпуса, а входной канал оснащен регулирующим затвором с приводом, управляемым устройствами контроля частоты вращения ротора.The solution to this problem was the identified possibility of using the now known design of a wind turbine, but in a different field of renewable energy, namely in hydraulic power plants. As a result, a whirlpool turbine is declared having a confuser, a casing and a cone-shaped rotor with grooved blades, in which, according to the invention, the casing wall in horizontal section has the form of an “Archimedes spiral” (about one turn), the lower annular rotor flange is located in the opening of the casing bottom, and the input channel is equipped with a control valve with an actuator controlled by rotor speed control devices.

Описание заявляемой гидротурбины поясняется общим видом в плане (с сечением над нижнем фланцем ротора) - фиг.1, и осевым разрезом по "А-А" - фиг.2.The description of the inventive hydraulic turbine is illustrated by a general plan view (with a section above the lower rotor flange) - Fig. 1, and an axial section along "A-A" - Fig. 2.

Устройство турбины предельно простое: в корпусе 1, боковая стенка которого выполнена в виде неполного витка спирали Архимеда (r=aϕ, где: r - радиус в полярных координатах, ϕ - угол, a - постоянная), верхняя стенка закрытая, а нижняя - с круглым отверстием, установлен ротор 2, имеющий два фланца: верхний (меньший по диаметру) - сплошной - 3 и нижний (больший по диаметру) - кольцеобразный - 4 с расположенными между ними по кругу желобчатыми лопастями 5. К корпусу 1 (см. фиг. 1) примыкает конфузор 6, являющийся продолжением входного напорного канала 7.The turbine device is extremely simple: in case 1, the side wall of which is made in the form of an incomplete turn of the Archimedes spiral (r = aϕ, where: r is the radius in polar coordinates, ϕ is the angle, a is constant), the upper wall is closed, and the lower one with a circular hole, a rotor 2 is installed, having two flanges: the upper (smaller in diameter) - continuous - 3 and the lower (larger in diameter) - annular - 4 with grooved blades 5 located between them in a circle. Toward the housing 1 (see Fig. 1) adjacent confuser 6, which is a continuation of the input pressure channel 7.

Турбины, предназначенные для привода электрогенератора 8, оснащаются затвором 9 для регулирования потока, связанным с устройствами контроля частоты вращения ротора: центробежным механизмом, магнитной муфтой либо простейшей гидравлической системой. Последний вариант показан на фиг. 1. Регулирующий затвор 9 кинематически связан с подвижным сектором 10, оснащенным лопатками 11 (см. фиг. 2) и задающим устройством 12 (например, пружинным).The turbines designed to drive the electric generator 8 are equipped with a shutter 9 for regulating the flow associated with rotor speed control devices: a centrifugal mechanism, a magnetic coupling, or a simple hydraulic system. The last option is shown in FIG. 1. The control shutter 9 is kinematically connected with a movable sector 10 equipped with blades 11 (see Fig. 2) and a driver 12 (for example, spring).

Пуск турбины производится подачей потока из входного напорного канала 7. Этот поток, сжатый и ускоренный конфузором 6, закручивается стенкой корпуса 1 в сжимающийся вихрь и воздействует на все лопасти 5, каждая из которых срезает свой - одинаковый для всех лопастей - слой потока, который, обтекая ее внутреннюю поверхность, создает на ней вращающий момент, как в любой реактивной турбине.The turbine is started by supplying a stream from the inlet pressure channel 7. This stream, compressed and accelerated by the confuser 6, is twisted by the wall of the housing 1 into a compressing vortex and acts on all the blades 5, each of which cuts off its own layer of flow, which is the same for all blades, which, flowing around its inner surface creates a torque on it, as in any jet turbine.

Если лопасть в сечении не намного меньше полуокружности, то при оптимальном соотношении угловой скорости ротора и потока (около 1:2) отработавшие потоки покидают лопасти с их же скоростью, но в противоположном направлении, т.е. с минимальной скоростью относительно корпуса турбины, а это значит - с максимальной отдачей своей энергии. И даже при такой высокой скорости потока как в самой улитке корпуса, так и в желобах лопастей, можно считать его ламинарным.If the blade in the cross section is not much smaller than the semicircle, then with the optimal ratio of the angular velocity of the rotor and the flow (about 1: 2), the exhaust flows leave the blades with their speed, but in the opposite direction, i.e. with a minimum speed relative to the turbine casing, which means with the maximum return of its energy. And even at such a high flow rate both in the cochlea itself and in the troughs of the blades, it can be considered laminar.

Отработавший поток через отверстие нижнего фланца 4 ротора 2 свободно падает в отводящий канал.The spent stream through the opening of the lower flange 4 of the rotor 2 freely falls into the outlet channel.

При обтекании потоком стенки корпуса силы трения снижают тангенциальную скорость v у стенки, однако в сжимающимся вихре угловая скорость потока (ω=ν/r ~ const), практически сохраняется и, если угол α (см. фиг. 1) равен 2π/n, (где n - число лопастей), то все лопасти работают с одинаковой нагрузкой, т.е. каждая лопасть при полном обороте ротора не испытывает колебаний нагрузки, что позволяет облегчить его конструкцию.When the body flows around the wall of the casing, the friction forces reduce the tangential velocity v near the wall, however, in a contracting vortex, the angular flow velocity (ω = ν / r ~ const) practically remains and if the angle α (see Fig. 1) is 2π / n, (where n is the number of blades), then all blades work with the same load, i.e. each blade with a full revolution of the rotor does not experience load fluctuations, which makes it easier to design.

Устройство поддержания частоты вращения ротора в простейшем варианте работает так. В исходном положении подпружиненный сектор 10 поддерживается упором, при этом канал на входе потока в конфузор 6 полностью открыт. При работе турбины вода через кольцевую щель между верхней стенкой корпуса 1 и торцом верхнего фланца 3 свободно заходит в пространство над ротором 2 и заполняет конусную емкость, образованную этим фланцем, до уровня переливных отверстий в стенке полого вала с ребрами жесткости, благодаря которым над вращающимся ротором образуется водяной вихрь с его же угловой скоростью. Этот вихрь воздействует на лопатки 11 сектора 10 и с превышением установленной угловой скорости, преодолевая усилие пружины задающего устройства 12, поворачивает сектор 10, а связанный с ним затвор 9 ограничивает поток воды в турбину.The device for maintaining the rotor speed in the simplest version works like this. In the initial position, the spring-loaded sector 10 is supported by the stop, while the channel at the flow inlet to the confuser 6 is fully open. During the operation of the turbine, water through the annular gap between the upper wall of the housing 1 and the end face of the upper flange 3 freely enters the space above the rotor 2 and fills the conical tank formed by this flange to the level of overflow holes in the wall of the hollow shaft with stiffeners, due to which over the rotating rotor a water vortex is formed with its angular velocity. This vortex acts on the blades 11 of the sector 10 and, in excess of the set angular velocity, overcoming the spring force of the driver 12, turns the sector 10, and the associated shutter 9 restricts the flow of water into the turbine.

Чувствительность данного устройства обусловлена не только изменением скоростного напора водоворота, но и изменяющимся (под действием центробежной силы) уровнем воды на его периферии, где расположены лопатки 11 сектора 10 (см. фиг. 2).The sensitivity of this device is due not only to a change in the velocity head of the whirlpool, but also to a changing (under the action of centrifugal force) water level at its periphery, where the blades 11 of sector 10 are located (see Fig. 2).

Таким образом, частота вращения ротора 2, а следовательно, и электрогенератора 8 будет поддерживаться в допустимых пределах даже в режиме его автономной работы.Thus, the rotational speed of the rotor 2, and therefore the generator 8 will be maintained within acceptable limits even in the mode of its autonomous operation.

Низкая стоимость гидротурбины, предельно высокий КПД при ее работе, надежность и удобство в эксплуатации создают перспективу широкого использования ее практически в любых условиях горных районов страны.The low cost of the turbine, the extremely high efficiency during its operation, reliability and ease of use create the prospect of its widespread use in almost any conditions of the mountainous regions of the country.

Claims

A vortex hydraulic turbine having a confuser, a casing and a cone-shaped rotor with grooved blades, characterized in that the side wall of its casing in horizontal section has the form of an incomplete spiral turn of Archimedes

where r is the radius in polar coordinates,

ϕ is the angle

a is a constant;

the lower annular rotor flange is located in the opening of the bottom of the turbine body, and the input channel is equipped with a control valve with an actuator controlled by rotor speed control devices.